超聲電機(jī)憑借其高精度、快速響應(yīng)、電磁兼容性好等優(yōu)勢(shì)，在精密儀器、航空航天、機(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而其卓越性能的發(fā)揮，離不開高壓功率放大器的驅(qū)動(dòng)。下面西安安泰電子將詳細(xì)介紹高壓功率放大器在超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的關(guān)鍵作用、選型要點(diǎn)、典型應(yīng)用案例及未來發(fā)展趨勢(shì)。

高壓功率放大器在超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用：

超聲電機(jī)的工作原理與驅(qū)動(dòng)需求

超聲電機(jī)是一種基于壓電效應(yīng)和超聲頻段機(jī)械振動(dòng)的新型電機(jī)。它與傳統(tǒng)電磁電機(jī)不同，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，再通過摩擦耦合驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子或滑塊運(yùn)動(dòng)。

圖：ATA-4051C高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

核心技術(shù)特點(diǎn)：

逆壓電效應(yīng)核心：壓電材料在交變電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生微小形變，這是超聲電機(jī)工作的物理基礎(chǔ)。

超聲振動(dòng)：工作頻率通常在20kHz以上，超越人耳聽閾，避免了噪聲干擾。

摩擦傳動(dòng)：將高頻微幅振動(dòng)通過摩擦界面轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。

對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的嚴(yán)苛要求：

高壓輸出：壓電陶瓷需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓（幾十至幾百伏）才能產(chǎn)生足夠的振動(dòng)幅度。

充足功率：為確保電機(jī)輸出足夠扭矩和推力，功率放大器需提供數(shù)十瓦的功率輸出。

頻率精準(zhǔn)：驅(qū)動(dòng)頻率必須匹配壓電元件的機(jī)械共振頻率，以實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換。

波形純凈：正弦波驅(qū)動(dòng)可避免方波諧波激起非工作模態(tài)，影響電機(jī)性能。

功能角色分析：

信號(hào)放大：將信號(hào)源產(chǎn)生的低壓控制信號(hào)（通常0V）放大至數(shù)十至數(shù)百伏特的高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

阻抗匹配：作為信號(hào)源與壓電負(fù)載間的橋梁，提供足夠的電流驅(qū)動(dòng)能力。

波形保真：高質(zhì)量功率放大器能保持輸入信號(hào)的波形特征，確保純凈正弦波輸出。

數(shù)控調(diào)節(jié)：現(xiàn)代功率放大器如ATA系列提供數(shù)字控制增益功能，方便精確調(diào)整輸出電壓。

超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的典型應(yīng)用案例

8字形軌跡超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)

圖：功率放大器在超聲電機(jī)正反向運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用

南京航空航天大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員利用ATA051高壓功率放大器驅(qū)動(dòng)一種新型彎彎復(fù)合超聲電機(jī)。通過單路特殊激勵(lì)信號(hào)（由頻率比為1:2兩個(gè)正弦波形疊加而成）驅(qū)動(dòng)，配合激光位移傳感器測(cè)量，驗(yàn)證了基于8字形振動(dòng)軌跡的超聲電機(jī)工作原理。核心發(fā)現(xiàn)：改變兩種頻率成分的相位差，可改變驅(qū)動(dòng)足運(yùn)動(dòng)軌跡方向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)控制。

高壓功率放大器的選型要點(diǎn)：選擇合適的功率放大器對(duì)超聲電機(jī)應(yīng)用至關(guān)重要：

關(guān)鍵參數(shù)考量：

輸出匹配：輸出電壓和功率需滿足特定超聲電機(jī)的需求。

帶寬充足：頻率范圍應(yīng)覆蓋超聲電機(jī)的典型工作區(qū)間（20kHz至數(shù)MHz）。

通道數(shù)量：根據(jù)超聲電機(jī)的相位數(shù)決定單通道或多通道放大器。

控制接口：數(shù)控增益和遠(yuǎn)程程控功能大幅提升實(shí)驗(yàn)效率和系統(tǒng)集成度。

特殊功能需求：

信號(hào)監(jiān)測(cè)：電壓/電流監(jiān)測(cè)接口方便實(shí)時(shí)觀察輸出狀態(tài)。

保護(hù)機(jī)制：過壓、過流、過溫保護(hù)確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

多機(jī)同步：主從機(jī)模式支持多臺(tái)設(shè)備級(jí)聯(lián)，滿足多通道同步輸出需求。

圖：ATA-4000系列高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

高壓功率放大器作為超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，其性能直接決定了超聲電機(jī)的輸出能力、運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性。隨著壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)向高頻化、集成化、智能化方向發(fā)展，高性能功率放大器的重要性將愈發(fā)凸顯。

通過精心選擇和合理應(yīng)用高壓功率放大器，工程師和研究人員能夠充分發(fā)揮超聲電機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)精密定位、微納操作和特殊環(huán)境驅(qū)動(dòng)等技術(shù)邊界不斷拓展。

審核編輯 黃宇